19世纪，以显微镜为代表的实验手段不断完善和改进，使作为实验科学的生物学有了极大的发展，其最伟大成就是细胞学说及微生物学；同时，关于地质变迁和生命现象的知识大有进展，推动作为博物学的生物学的大发展；进化论的创立是这一分支的最高成就。
4.？1？ 细胞学说的建立
1665年，显微镜问世之初，英国物理学家胡克（1635—1702）在用其观察软木片的结构时，发现了一种蜂窝状的结构，这种微观结构中除了由大大小小的小格子组成，看来什么也没有。胡克就将这些小盒子命名为cell（细胞，意为“小室”）。
与胡克同时代的一些学者们也对动植物组织进行了观察。意大利解剖学家马尔比基（1628—1694）和荷兰的显微镜专家列文虎克（1632—1723）分别观察了植物切片的结构，但是并没有被认为是植物的基本结构单位。此后一百多年里对细胞的认识没有新的进展。
19世纪初，德国的自然哲学家奥肯（1779—1851）提出一切有机物都是由细胞组成的思想。他认为一切生物都来自某种原始的黏液，然后形成球形的小泡（细胞），中间是液体。小泡则是由大海中的无机物构成的。奥肯的思想启发一批生物学家去探寻生命的“原始结构”，对细胞学说的提出产生了很大影响。到19世纪30年代，细胞的存在已是众所周知，这为细胞学说的诞生创造了条件。
细胞学说的最终建立归功于德国植物学家施莱登（1804—1881）和动物学家施旺（1810—1882）两人。施莱登原是一名律师，后改学医学和植物学。1838年，他发表了著名的论文《论植物的发生》，明确提出细胞是植物结构最基本的单位和借以发展的实体。这样，他通过细胞找到了动物与植物的共同点，细胞不单是一个独立的生命单元，而且由细胞组成了不同的生物个体。
施莱登把研究结果通报给了在柏林求学时就结识的动物学家施旺。施旺自1835年起就从事发酵和腐败现象的研究，并由酵母和微生物的研究认识到细胞的作用。当他得知施莱登的研究成果后，便决心把它扩大到动物学领域里。1839年，施旺发表了题为《关于动物和植物在构造和生长方面一致性的显微研究》。在这篇论文中，他通过对蝌蚪的鳃软骨及脊索的观察与研究，发现了动物细胞的结构与细胞核，这样，是他把施莱登的学说成功地扩展到动物界，形成了完整的细胞学说。
细胞学说认为细胞是动、植物的最基本的结构单位。一切动、植物虽然形态千差万别，但却在细胞结构的基础上统一起来。这个学说认为细胞是各自独立的、完整的生命单位，如施莱登所说：“在每个单独的细胞中都存在着生命的本质”，动、植物的发育过程就是细胞的形成过程，细胞一旦形成就被安排在一定的结构之中。但这一细胞学说只承认有机体仅是细胞简单的总和。最低等的生物只有一个细胞，高等生物则由许多细胞组成。施旺还试图对细胞分类，如血液细胞、皮肤细胞等。
施莱登和施旺的学说发表后立即受到生物学家和医生们的重视，不断修正和发展了细胞学说。1861年，德国解剖学家舒尔兹（1825—1874）集细胞学研究之大成，把细胞质、原生动物、卵细胞统一起来，把细胞定义为“一团有核的原生质”，并指出原生质是生命的基础。
德国生物学家微耳和（1821—1902）认识到细胞学说可以用来说明疾病现象，因为疾病组织的细胞是由健康组织的细胞慢慢演变而来的。1855年，微耳和发表了《细胞病理学》，由此开创了细胞病理学—现代医学的重要理论基础。微耳和还发现，细胞并不能由原生黏液自然形成，相反，所有的细胞似乎都是从已有细胞分裂而来。微耳和将之概括为一句名言：“一切细胞来自细胞”，这里暗含着“一切生命均来自生命”的信念。事实上，他一贯坚定地反对生命的自然发生说，这很快被巴斯德所着力强调，虽然他们俩人的观点也有若干分歧。
细胞学的产生揭示出动物、植物、高等生物和低等生物都是以细胞为共同联系的基础；生物体的一切发育过程则是通过细胞的增殖和生长来实现的。恩格斯说：“由于这一发现，我们不仅知道一切高等有机体都是按照一个共同规律发育生长的，而且细胞的变异能力指示了使有机体改变自己的物种并从而实现一个比个体发育更高的发育道路。”
4.？2？ 孟德尔的遗传学说
达尔文的进化论揭示了生物存在遗传和变异，在自然选择下交互作用，使那些与环境相适合的变异被保留下来，形成进化的过程。
达尔文的进化学说涉及了遗传问题，认为这是进化得以发生的一个重要因素。但在进化机制方面，达尔文更多强调了变异的作用，而对遗传的机理，也就是变种的那些具有适应力的特征是如何保留的，没有进行分析。事实上，进化论所面对的最有力的置疑就是来自这方面。为此，达尔文后来不得不逐渐采纳了拉马克的获得性遗传的观点，以此补充他的自然选择学说。但他这时不知道，有一位奥地利修道士孟德尔（1822—1884）正在从事的工作已经解决了这一问题，而无须去求助于拉马克。
孟德尔（1822—1884）青年时代开始在修道院做修士，后来在教会学校任教。曾被送到维也纳大学学习生物学，受到了严格的科学训练。为此他决定进行大规模的精确实验。孟德尔在遗传学研究方面作出了开创性的贡献，但其生前一直默默无闻，堪称是孤独的天才。
孟德尔研究杂交育种的初衷是因为“这关系到有机体的进化历史”。自1854年起，他在修道院的花园里从事了9年的豌豆杂交遗传的试验研究。他用统计方法寻找遗传的规律，并提出解释这种规律的理论，后人把这些统称孟德尔的遗传学说。1866年，他发表了《植物杂交的试验》，全面阐述了他的遗传学说并公布了主要的试验结果。
孟德尔的实验基于这样的原则：用于杂交实验的植物应当具有稳定的特性，易于栽培，生长期短，以便于观察；实验应排除外来花粉的影响，以确保实验的可靠性。他从34种豌豆中选出22种性状稳定的品种，从中又选出7对性状有明显差别的豌豆品种进行大量杂交实验，每年实验的植株数为2万8千到3万株。在长达9年的时间里，通过对不同代的豌豆的性状和数目进行细致入微的观察、计数和分析。在此基础上他假定生物体内存在一种负载性状的物质，他称之为遗传因子，每一对遗传因子决定了一种性状，在细胞中遗传因子都是成对出现的。这样孟德尔就圆满地解释了实验统计规律，孟德尔发现了生物遗传的基本规律。
a 分离定律：
遗传因子作为独立单位而代代相传。细胞中有成对的基本遗传单位，在杂种的生殖细胞中，成对的遗传单位一个来自雄性亲本，一个来自雌性亲本，形成配子时这些遗传单位彼此分离。按照现代的术语，就是：基因对中的两个基因（等位基因）分别位于成对的两条同源染色体上，在亲本生物体产生性细胞过程中，上述等位基因分离，性细胞的一半具有某种形式的基因，另一半具有另一种形式的基因。由这些性细胞形成的后代可反映出这种比率。
b 独立分配定律：
在一对染色体上的遗传因子对中的等位基因能够独立遗传，与其他染色体对基因对中的等位基因无关；并且含不同对基因组合的性细胞能够同另一个亲本的性细胞进行随机的融合。孟德尔已经弄明，任何一个相当于人体中的精细胞或卵细胞的生殖细胞都仅仅包含一个偶然代代相传的基因。
孟德尔的这两条遗传基本定律就是新遗传学的起点，孟德尔也因此被后人称为现代遗传学的奠基人。1865年，孟德尔在奥地利自然科学学会第2次会议上报告了上述研究成果，然而面对这一划时代的贡献，与会者居然认识这不过是一个琐碎的研究报告而已。后来，他的学说几乎被人遗忘，直到1900年才被重新发现。
孟德尔的遗传学说最先证明遗传现象是有规律可循的，并由此可以推算出杂交品种的数量，这对人工培育新品种具有指导意义。孟德尔最先指出遗传是有物质基础的，遗传因子仅存在双亲的生殖细胞中。现代遗传学证明，孟德尔的遗传因子也并不是遗传信息的真正物质载体，实际上，这个问题的解决已超过了19世纪细胞遗传学的能力，它最终只能在本世纪的分子遗传学中得到答案。
4.？3？ 微生物学的建立
微生物学的建立是生物学史上可以与遗传学说相媲美的伟大成就。它揭示了除了植物、动物之外所存在的另一大类生物即微生物的奥秘。更重要的是，它揭示了有机体疾病的根源，从而指明了治疗疾病的正确途径。法国化学家和生物学家巴斯德是微生物学的伟大创立者。
巴斯德（1822—1895）最初是斯特拉斯堡大学的化学教授，后来又回到母校巴黎高师任教。巴斯德最初研究酿酒工业，他考察一件人们久已知道的事实，即同一汁料的两个样品发酵后有时会产生两种不同的酒。通过显微镜观察，证明发酵的酒液里存在着很小的酵母生物，并且发现不同种类的酵母产生不同的酒。巴斯德发现，发酵不需要氧气，但需要活的酵母菌，因此，发酵过程是一种生物学过程，而不是一种化学过程。为此，他与著名化学家李比希发生了争论，因为李比希坚持发酵过程纯粹是一种化学过程。在发现了发酵过程的微观机制之后，巴斯德就着手解决葡萄酒或啤酒发酸问题。他发现酒的变酸是由于一种微生物所致，并且证明将酒加热到55℃便可把微生物杀死。这种温热杀菌法今天被称为巴斯德灭菌法，由于它有效而简单，法国酿酒厂家很快就都采用了这种方法。今天我们饮用的牛奶就是采用这种方法灭菌的。
1864年，法国农业部委托他研究给当时的法国蚕丝业造成很大损失的丝蚕病。在随后的几个月时间里，他分离出两种使丝蚕致病的微生物，并且提供了如何识别无病的蚕卵、蚕和蚕蛾的方法。10年后，他又研究了牲畜的炭疽热和鸡霍乱病，到19世纪80年代又着手研究了影响人类的某些疾病。
巴斯德的微生物理论获得了极大影响。英国的外科医师李斯特勋爵（Lord·Lister，1827—1912）率先采用巴斯德消毒法施行外科手术。但是外科病人得救复原的人数仍然很少，原因是外科手术过程中往往发生感染。李斯特在公元1864年作的统计表明，他的病人有45%于手术后死亡，当时其他的外科医生则在每五个病例中只有一个成功的记录。巴斯德关于发酵与发生腐烂的研究，使李斯特想到手术创伤的腐败是微生物引起的一种腐烂现象。他寻找杀死微生物的化学方法，在试验几种化合物之后，他发现从煤焦油提取的一种物质酚能起良好的防腐剂作用。李斯特用酸水溶液喷射了他的手术室和病人的创伤，发现手术后的败血症经这一来大为减少。他于公元1865年成功地进行了第一次用新防腐法的手术，到公元1868年时由他施行手术的病人的死亡率从45%下降到15%。
同微生物在外科手术中应用相对应的，它在医学上的应用是由德国的罗伯特·柯赫（Robert·Koch，1843—1910）和巴斯德本人在法国进行的。柯赫于公元1876年发现使牲畜产生炭疽病的微生物，可以在牛体之外的肉汤培养体中生长繁殖。他用这些方法于公元1882年发现肺结核的杆菌，并在下一年分离出霍乱病菌。巴斯德重复并扩展了柯赫的工作，他发现有些细菌在动物体外培养会变得无活性，鸡瘟的培养剂经过相当长的时间后，注射在小鸡体内并不发生疾病。还有，同一的小鸡后来再用有毒的鸡霍乱菌注射在体内时，仍然保持健康状态，表明无活性微生物使动物对正常活性的细菌产生免疫性。巴斯德于公元1881年制造出一种无活性炭疽菌能使牲口抵抗活性的炭疽菌，确立了预防接种原理的另一个病例。
在细菌致病学说出现很久以前，关于预防接种的一个特殊事例已是众所周知了，谨慎地使儿童传染上适度的天花可以避免传染上致命的天花，自从玛丽·霍尔特莱·蒙塔古夫人于18世纪20年代从中东把这个方法带回来以后，一直都为人们采用着。后来格洛斯特郡的一个乡村医生爱德华·琴纳（Edward·Jenner）于公元1798年证明一种轻得多的疾病──牛痘，能使人对天花免疫，这是他从观察到挤牛奶的妇女很少患天花而发现的。现在，在19世纪80年代，接种的做法已经普遍化了，这就为细菌致病的学说找到了合理的依据。人们设想细菌产生化学毒或毒素，它对于疾病的症候来说是起主要作用的，而身体的防御机制则能产生抗毒素以抵抗细菌及其毒素的影响。因此看来注入体内的死菌应当产生这种疾病的缓和症状，并刺激抗毒素的产生，从而抵抗未来的感染。后来发现事实确是如此，并且进一步发现一个动物体所产生的抗毒素，在另外一只动物体内也能有效地抵抗其相应的细菌。
19世纪自然科学的最重要的发展是：能量守恒定律、细胞学说、进化论。过去被看作是孤立的、割裂的自然现象，由此被证明是统一的物质世界的不同运动形式；过去认为是一成不变的事物，现在被证明是逐渐形成的，它们不仅在空间上显示出多样性，而且在时间上有其发生、发展和消亡的历史。
19世纪自然科学的发展在相当程度上源于产业革命的推动。现代化机器大工业的竞争力已经不能单纯依赖劳动力的堆积，而更多地依赖于新科学技术的推动。首先是工业动力需求日益增加，使得提高蒸汽机的效率成为科学研究的重要课题。蒸汽机的发明和利用为能量守恒与转化定律的发现创造了最基本的物质基础。18世纪以来有关电磁现象、热化学现象和对动物热的实验研究也为能量守恒定律提供了的实践基础。
另外，随着纺织业和农业的现代化而提出的合成染料、合成肥料等问题，促进了分析化学、无机化学、有机化学和农学的发展。医学和农业的发展又相应地带动了生物学的发展。采矿和交通运输业的发展为博物学和地质学积累了大量素材，促进了地质学和生物进化论的建立。
在19世纪诸多科学技术成就中，电磁学及电力技术的巨大发展是对20世纪现代文明影响较为直接的一个领域，也是在现代社会的日常生活中，人们感受最为直接的领域之一。经典电磁学不断分化、衍生出一系列新学科，造就了20世纪电气及信息工业的巨大成就；在这个世纪里，热机理论的新发展和石油工业的开拓最终导致新的、更为高效紧凑的内燃机动力的出现，继蒸汽机之后，为人类文明提供了强大动力。与以往相比，这一切更让普通人能够亲身感受到科学技术之伟力，直接造就了现代化生活方式。